مقدمه‌ای بر خازن ها

خازن قطعه‌اي است که براي ذخيره انرژي الکتريکي توسط میدان الکترواستاتیکی، در مدار استفاده مي‌شود و با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود می‌توان از آن برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار استفاده کرد. از خازن‌ها به عنوان فیلتر نیز استفاده می‌کنند زیرا سیگنال‌های متناوب یا AC را به راحتی عبور می دهند ولی مانع عبور سیگنال های مستقیم یا DC می‌شوند. برای نمایش خازن از حرف C استفاده می‌کنند که ابتدای کلمه Capacitor میباشد. واحد ظرفیت خازن فاراد است و ظرفیت خازن طبق فرمول زیر بدست می آید.

 

که در آن A مساحت صفحات خازن، d فاصله ی دو صفحه ی رسانا وk ضریب گذردهی نسبی دی الکتریک می‌باشد.

خازن‌ها را بر حسب شکل ظاهری به سه دسته ی تخت، کروی و استوانه‌ای دسته بندی می‌کنند. از انواع پرکاربرد خازن‌ها می‌توان به خازن استوانه‌ای اشاره کرد. خازن استوانه‌ای خازنی است که از دو استوانه‌ی رسانا تشکیل شده است. در فضای میان این دو استوانه دی‌الکتریک قرار دارد. با توجه به اینکه خازن استوانه‌ای یک سطح بسته ی گوسی است و میدان الکتریکی ناهمگن و کمیت میدان وابسته به شعاع است. می توان ظرفیت آن را به شکل زیر محاسبه کرد:

 

لازم به ذکر است با ورود دی الکتریک بین صفحات خازنی، ظرفیت خازن بیشتر می‌شود و هرچه ضریب گذردهی نسبی آن به هوا بیشتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر خواهد شد.

 

شکل(1) انواع خازن‌ها

سطح سنج خازنی

یکی از انواع روش‌های سنجش سطح، استفاده از سطح سنج‌های خازنی است. این حسگر بر اساس تغییر ظرفیت خازنی بر اثر تغییر ارتفاع مایع در تانک کار می‌کند. شکل زیر نمای کلی یک حسگر سطح خازنی را نمایش می دهد.

 

شکل(2) شمای کلی سطح سنج خازنی

همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود، این سنسور دارای یک استوانه ی فلزی یا پروب است که وارد تانک می‌شود. جنس پروب بسته به نوع سیال مورد اندازه‌گیری می‌تواند، عایق یا هادی باشد. صفحات پروب با یکدیگر یا با دیواره‌ی تانک، تشکیل خازن استوانه‌ای می‌دهند که با تغییر ارتفاع تبدیل به دو خازن با دی‌الکتریک های مختلف می گردد. این حسگر می‌تواند سطح طیف وسیعی از مواد رسانا، نارسانا، جامدات، گرانول و پودرها را با دقت خوبی اندازه‌گیری نماید. همچنین در اندازه‌گیری سطح جدایش سیالات مختلف از یکدیگر کاربرد دارد. حسگر می‌تواند به شکل‌های مختلف برای کاربردهای مختلف نصب شود. نصب به شکل عمودی برای مونیتور کردن سطح ماده است و در نصب افقی، سنسور همانند یک سوئیچ عمل می کند.

اندازه‌گیری سطح سیال نارسانا

در جدول زیر ضریب دی‌الکتریک بعضی از مواد پرکاربرد آورده شده است.

 

موادی که ضریب دی‌الکتریک آن‌ها پایین است مواد نارسانا می باشند. برای این مواد پروب سنسور از جنس رسانا است بدین ترتین بین صفحات پروب (در صورتیکه پروب دارای 2 صفحه ی استوانه ای هم مرکز باشد) و یا صفحه ی پروب با جداره ی تانک (در صورتیکه که جداره رسانا باشد) خازن پدید می آید. در کل مجموعه دو خازن سری به وجود آمده، یکی خازنی که دی الکتریک آن هواست و دیگری خازنی که دی الکتریک آن مایعی است که می خواهیم سطح آن را اندازه‌گیری کنیم. در نهایت این دو خارن به شکل دو خازن موازی می باشند پس ظرفیت کلی خازن برابر است با مجموع ظرفیت خازن 1 و 2.

 

شکل زیر حالتی را که مایع نارسا و جداره ی تانک رسانا است را نشان می دهد.

 

شکل(3)اندازه‌گیری سطح سیال نارسانا توسط سطح سنج خازنی

اندازه‌گیری سطح سیال رسانا

زمانی‌که سیال رسانا است، جریان را از خود عبور داده و دیگر نمی‌توان شاهد تشکیل خازن در آن بود. برای اندازه‌گیری سطح این سیالات، پروب را از جنس عایق می سازند، یا به کمک مواد عایق پوشش دهی می‌کنند. بدین ترتیب، پروب نقش دی الکتریک و سیال نقش صفحات رسانای خازن را ایفا می کنند. با افرایش ارتفاع مایع، ظرفیت خازن افزایش پیدا می کند. شکل زیر نشان دهنده ی مدل خازن در سیالات رسانا است.

 

شکل(4) اندازه‌گیری سطح سیال رسانا توسط سطح سنج خازنی

جنس پروب سطح سنج خازنی

به طور معمول برای کاربردهایی که در آن سیال، نارسانا و غیر خورنده است، پروب را از جنس فولاد ضد زنگ می‌سازند. قطر این قسمت، معمولا ½ in است. قسمت محفظه به کمک عایق‌هایی با دی‌الکتریک پایین همانند نایلون یا Ryton(PPS) از پروب اندازه‌گیری جدا می‌گردد. محدوده‌ی دمای کاری این عایق ها بین 175-230 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد. برای کاربردهایی که در محدوده‌ی دمایی بالاتری کار می‌کنند، می‌توان از سرامیک استفاده کرد.

برای کاربردهایی که در آن ارتفاع سیالات رسانا اندازه‌گیری می‌شود، از مواد عایقی همچون PFA, Kynar استفاده می‌شود. زمانی که سیال مورد اندازه‌گیری چسبنده یا نفوذ کننده است یا باعث می شود که پوششی دائمی در پروب به وجود آید باید از پروب های ضد رسوب استفاده کرد. در این پروب‌ها یک بخش فعال رسانای دیگر و یک بخش عایق دوم وجود دارد. لازم به ذکر است که ولتاژو فرکانس بخش فعال با قسمت اندازه‌گیری پروب برابر است. شکل زیر نشان دهنده ی شمای کلی یک پروب ضد رسوب است.

 

شکل(5) پروب ضد رسوب سطح سنج خازنی

طول پروب سطح سنج خازنی

به طور کلی زمانی‌که سنسور به عنوان سوئیچ استفاده شده و به شکل افقی نصب می‌شود، طول پروب بنابر استاندارد NIST باید بین in 7-16 باشد. برای کاربردهایی که در آن سنسور باید به شکل عمودی به کار رود و طول بیشتری نیاز است، می‌توان از طناب‌هایی به طول m 1.2-1.5 استفاده کرد. همچنین برای طول‌های بیشتر می توان از کابل‌های فولادی تا طول m 15 بهره برد. شکل زیر نشان دهنده‌ی طول سنسور در حالات اتصال مختلف است.

 

شکل (6) نصب سطح سنج خازنی به صورت عمودی و افقی

نکات مهم درباره‌ی انتخاب و کار با سنسور خازنی

در اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا، که رسانایی آن ها بیشتر از microhms/cm 100 است باید توجه داشت که خطر اتصال کوتاه، وجود دارد. علاوه بر خطرات جانبی و احتمال خراب شدن تغذیه‌ی دستگاه سبب قرائت غلط ارتفاع توسط سنسور می‌شود. بنابراین همواره توصیه می شود تا پروب را برای این کاربرد با PFA یا Kynar پوشش داد.

اثرات دما بر لوله‌ی اندازه‌گیری و قسمت‌های الکترونیکی غیر قابل صرف نظر کردن است. همچنین در هنگام انتخاب نوع عایق باید همواره محدودیت های دمایی را در نظر داشت. دمای محیط در کاتالوگ به وسیله‌ی سازنده مشخص می‌شود. رعایت این دما برای اطمینان از کارکرد درست مدارات ضروری است. در کاربردهایی که سطح سیالات با دمای بالا در حال اندازه‌گیری شدن است، حرارت به وسیله‌ی رسانش گرمایی به مدارات منتقل می‌شود، در اینجا می‌توان از یک عایق گرمایی برای کاهش این اثر استفاده کرد، اما اگر این روش کارآیی کافی را نداشت، مدارات پردازشی باید تا 20 ft از محل اندازه‌گیری دور شده و با کابل coaxial به سنسور متصل شود. در اینجا باید در نظر داشت که کابل coaxial خود همانند یک خازن عمل می کند و می تواند بر نتیجه‌ی اندازه‌گیری تاثیر بگذارد.

اگر ماده‌ی مورد استفاده، خورنده باشد، پروب فولادی باید با PFA, Kynar پوشش داده شود. عایق Ryton برای مواد ساینده مناسب‌تر است. در صنایع غذایی و بهداشتی بهتر است از پروب فولاد ضد زنگ با پوشش PFA استفاده کرد. برای سنجش و ارزیابی کارایی پروب رسانا می‌توان یک ولتاژ AC کوچک از یک ترانسفورمر به میله فلزی اعمال کرد تا پروب و دیواره مخزن شبیه سازی شوند. برای افزایش دقت باید میله در موقعیت و فاصله ای مشابه از دیواره نسبت به پروب قرار گیرد. سپس با غوطه ور کردن پروب در سیال به اندازه 50 mm جریان اندازه‌گیری شده و مقاومت از رابطه زیر بدست می آید:

 

اگر مقاومت کمتر از آن مقداری باشد که برای ابزار دقیق لازم است می‌توان از پروب رسانایی به همراه تقویت کننده استفاده کرد. اگرچه این روش جواب قابل قبولی می‌دهد ولی برای تشخیص قابل استفاده بودن این نوع تجهیز روش خیلی خوبی نیست. شایان ذکر است این نوع ابزار دقیق برای سیالاتی با رسانایی بالاتر از μohm/cm 20 به کار می‌رود.

مشکلات دیگری، ممکن است هنگامی رخ دهد که سیال آشفته و متلاطم باشد. به دلیل هزینه کم این نوع از اندازه‌گیری می‌توان برای اشکار کردن یک سطح از 2 پروب مختلف استفاده کرد. در این حالت برای ایجاد باند مرده یا منطقه خنثی می‌توان فاصله عمودی کوچکی بین 2 پروب در نظر گرفت. این کار می‌تواند مانع از سوییچ های مداوم ناشی از تلاطم سیال شود.

نکات مهم در نصب سنسور خازنی

انواع روش‌های نصب سنسور به شکل زیر است:

نصب ازبالا: اگر پروب از بالا نصب می‌شود باید این نقطه مورد توجه قرارگیرد که در سطحی سوییچ عمل می‌کند ممکن است عمل سوییچینگ متزلزل باشد به عنوان مثال در برخی سیالات با چند میلی متر پوشیده شدن پروب توسط سیال سوییچ فعال می‌شود و در برخی دیگر از سیالات با رسانایی پایین ممکن است برای فعال شدن سوییچ نیاز باشد پروب به طور کامل در سیال فرو برود.

نصب از کنار: برای نصب از کنار پروب‌هایی با طول بیشتر از120 میلی متر مناسب هستند. در مواردی که نصب از کنار اجتناب ناپذیر است و مایعات داخل مخزن می‌توانند باعث گرفتگی و رسوب شوند به پروب‌هایی با طول بیشتر نیاز است. پروب های طویل‌تر دارای نرخ مقاومت تماسی بالاتری بین قسمت پوشیده شده و آزاد هستند. پروب‌هایی که از کنار نصب می‌شوند باید کمی کج و به سمت پایین قرار گیرند تا مایعات به سادگی بچکند و تشکیل رسوب رسانا روی عایق کاهش یابد. شکل زیر انواع روش های نصب سنسور را نشان می دهد.

 

شکل (7) انواع روش‌های نصب سطح سنج خازنی

در مواردی که نیاز است بیشتر از 1 سنسور سطح خازنی مورد استفاده قرار گیرد، باید فواصل میان آن ها را رعایت کرد. کمترین فاصله‌ای که باید رعایت شود 18in است. فاصله‌ی کمتر از این حد باعث می‌شود میدان الکترومغناطیسی آن‌ها بر یکدیگر اثر گذارد و سبب خطای اندازه‌گیری شود.

سنسور باید به گونه‌ای قرار گیرد که عملیات اندازه‌گیری تحت تاثیر دبی ورودی و خروجی قرار نگیرد. ضربات ناشی از برخورد ماده به سنسور ممکن است باعث قرائت مقادیر اشتباه گردد یا به سنسور آسیب رساند.

مزایا و معایب

مزایا و معایب سنسور های خازنی سطح نسبت به سایر روش های مشابه طور خلاصه در ادامه آمده است.

مزایا:

1. قیمت ارزان
2. سازگاری با شرایط محیطی مختلف
3. برای طیف وسیعی از سیالات، جامدات و پودر ها کاربرد دارد.
4. عدم استفاده از قطعات متحرک
5. حساسیت بالا
6. نصب و استفاده ی آسان
7. قابلیت کالیبره شدن قبل از نصب
8. می تواند برای دما و فشار بالا طراحی شود.
9. قابلیت اطمینان بالا

معایب:

1. وجود آلودگی یا مواد چسبناک می تواند در نتیجه ی خوانده شده تاثیر گذارد.
2. امکان خوردگی پروب در اندازه‌گیری برخی مواد وجود دارد.
3. برای مواد با رسانایی‌های مختلف، طراحی‌های متفاوتی دارد.
4. حساس به تغییر دما
5. امکان تخلیه‌ی الکتریکی در اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا

مقدمه‌ای بر خازن ها

خازن قطعه‌اي است که براي ذخيره انرژي الکتريکي توسط میدان الکترواستاتیکی، در مدار استفاده مي‌شود و با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود می‌توان از آن برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار استفاده کرد. از خازن‌ها به عنوان فیلتر نیز استفاده می‌کنند زیرا سیگنال‌های متناوب یا AC را به راحتی عبور می دهند ولی مانع عبور سیگنال های مستقیم یا DC می‌شوند. برای نمایش خازن از حرف C استفاده می‌کنند که ابتدای کلمه Capacitor میباشد. واحد ظرفیت خازن فاراد است و ظرفیت خازن طبق فرمول زیر بدست می آید.

 

که در آن A مساحت صفحات خازن، d فاصله ی دو صفحه ی رسانا وk ضریب گذردهی نسبی دی الکتریک می‌باشد.

خازن‌ها را بر حسب شکل ظاهری به سه دسته ی تخت، کروی و استوانه‌ای دسته بندی می‌کنند. از انواع پرکاربرد خازن‌ها می‌توان به خازن استوانه‌ای اشاره کرد. خازن استوانه‌ای خازنی است که از دو استوانه‌ی رسانا تشکیل شده است. در فضای میان این دو استوانه دی‌الکتریک قرار دارد. با توجه به اینکه خازن استوانه‌ای یک سطح بسته ی گوسی است و میدان الکتریکی ناهمگن و کمیت میدان وابسته به شعاع است. می توان ظرفیت آن را به شکل زیر محاسبه کرد:

 

لازم به ذکر است با ورود دی الکتریک بین صفحات خازنی، ظرفیت خازن بیشتر می‌شود و هرچه ضریب گذردهی نسبی آن به هوا بیشتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر خواهد شد.

 

شکل(1) انواع خازن‌ها

سطح سنج خازنی

یکی از انواع روش‌های سنجش سطح، استفاده از سطح سنج‌های خازنی است. این حسگر بر اساس تغییر ظرفیت خازنی بر اثر تغییر ارتفاع مایع در تانک کار می‌کند. شکل زیر نمای کلی یک حسگر سطح خازنی را نمایش می دهد.

 

شکل(2) شمای کلی سطح سنج خازنی

همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود، این سنسور دارای یک استوانه ی فلزی یا پروب است که وارد تانک می‌شود. جنس پروب بسته به نوع سیال مورد اندازه‌گیری می‌تواند، عایق یا هادی باشد. صفحات پروب با یکدیگر یا با دیواره‌ی تانک، تشکیل خازن استوانه‌ای می‌دهند که با تغییر ارتفاع تبدیل به دو خازن با دی‌الکتریک های مختلف می گردد. این حسگر می‌تواند سطح طیف وسیعی از مواد رسانا، نارسانا، جامدات، گرانول و پودرها را با دقت خوبی اندازه‌گیری نماید. همچنین در اندازه‌گیری سطح جدایش سیالات مختلف از یکدیگر کاربرد دارد. حسگر می‌تواند به شکل‌های مختلف برای کاربردهای مختلف نصب شود. نصب به شکل عمودی برای مونیتور کردن سطح ماده است و در نصب افقی، سنسور همانند یک سوئیچ عمل می کند.

اندازه‌گیری سطح سیال نارسانا

در جدول زیر ضریب دی‌الکتریک بعضی از مواد پرکاربرد آورده شده است.

 

موادی که ضریب دی‌الکتریک آن‌ها پایین است مواد نارسانا می باشند. برای این مواد پروب سنسور از جنس رسانا است بدین ترتین بین صفحات پروب (در صورتیکه پروب دارای 2 صفحه ی استوانه ای هم مرکز باشد) و یا صفحه ی پروب با جداره ی تانک (در صورتیکه که جداره رسانا باشد) خازن پدید می آید. در کل مجموعه دو خازن سری به وجود آمده، یکی خازنی که دی الکتریک آن هواست و دیگری خازنی که دی الکتریک آن مایعی است که می خواهیم سطح آن را اندازه‌گیری کنیم. در نهایت این دو خارن به شکل دو خازن موازی می باشند پس ظرفیت کلی خازن برابر است با مجموع ظرفیت خازن 1 و 2.

 

شکل زیر حالتی را که مایع نارسا و جداره ی تانک رسانا است را نشان می دهد.

 

شکل(3)اندازه‌گیری سطح سیال نارسانا توسط سطح سنج خازنی

اندازه‌گیری سطح سیال رسانا

زمانی‌که سیال رسانا است، جریان را از خود عبور داده و دیگر نمی‌توان شاهد تشکیل خازن در آن بود. برای اندازه‌گیری سطح این سیالات، پروب را از جنس عایق می سازند، یا به کمک مواد عایق پوشش دهی می‌کنند. بدین ترتیب، پروب نقش دی الکتریک و سیال نقش صفحات رسانای خازن را ایفا می کنند. با افرایش ارتفاع مایع، ظرفیت خازن افزایش پیدا می کند. شکل زیر نشان دهنده ی مدل خازن در سیالات رسانا است.

 

شکل(4) اندازه‌گیری سطح سیال رسانا توسط سطح سنج خازنی

جنس پروب سطح سنج خازنی

به طور معمول برای کاربردهایی که در آن سیال، نارسانا و غیر خورنده است، پروب را از جنس فولاد ضد زنگ می‌سازند. قطر این قسمت، معمولا ½ in است. قسمت محفظه به کمک عایق‌هایی با دی‌الکتریک پایین همانند نایلون یا Ryton(PPS) از پروب اندازه‌گیری جدا می‌گردد. محدوده‌ی دمای کاری این عایق ها بین 175-230 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد. برای کاربردهایی که در محدوده‌ی دمایی بالاتری کار می‌کنند، می‌توان از سرامیک استفاده کرد.

برای کاربردهایی که در آن ارتفاع سیالات رسانا اندازه‌گیری می‌شود، از مواد عایقی همچون PFA, Kynar استفاده می‌شود. زمانی که سیال مورد اندازه‌گیری چسبنده یا نفوذ کننده است یا باعث می شود که پوششی دائمی در پروب به وجود آید باید از پروب های ضد رسوب استفاده کرد. در این پروب‌ها یک بخش فعال رسانای دیگر و یک بخش عایق دوم وجود دارد. لازم به ذکر است که ولتاژو فرکانس بخش فعال با قسمت اندازه‌گیری پروب برابر است. شکل زیر نشان دهنده ی شمای کلی یک پروب ضد رسوب است.

 

شکل(5) پروب ضد رسوب سطح سنج خازنی

طول پروب سطح سنج خازنی

به طور کلی زمانی‌که سنسور به عنوان سوئیچ استفاده شده و به شکل افقی نصب می‌شود، طول پروب بنابر استاندارد NIST باید بین in 7-16 باشد. برای کاربردهایی که در آن سنسور باید به شکل عمودی به کار رود و طول بیشتری نیاز است، می‌توان از طناب‌هایی به طول m 1.2-1.5 استفاده کرد. همچنین برای طول‌های بیشتر می توان از کابل‌های فولادی تا طول m 15 بهره برد. شکل زیر نشان دهنده‌ی طول سنسور در حالات اتصال مختلف است.

 

شکل (6) نصب سطح سنج خازنی به صورت عمودی و افقی

نکات مهم درباره‌ی انتخاب و کار با سنسور خازنی

در اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا، که رسانایی آن ها بیشتر از microhms/cm 100 است باید توجه داشت که خطر اتصال کوتاه، وجود دارد. علاوه بر خطرات جانبی و احتمال خراب شدن تغذیه‌ی دستگاه سبب قرائت غلط ارتفاع توسط سنسور می‌شود. بنابراین همواره توصیه می شود تا پروب را برای این کاربرد با PFA یا Kynar پوشش داد.

اثرات دما بر لوله‌ی اندازه‌گیری و قسمت‌های الکترونیکی غیر قابل صرف نظر کردن است. همچنین در هنگام انتخاب نوع عایق باید همواره محدودیت های دمایی را در نظر داشت. دمای محیط در کاتالوگ به وسیله‌ی سازنده مشخص می‌شود. رعایت این دما برای اطمینان از کارکرد درست مدارات ضروری است. در کاربردهایی که سطح سیالات با دمای بالا در حال اندازه‌گیری شدن است، حرارت به وسیله‌ی رسانش گرمایی به مدارات منتقل می‌شود، در اینجا می‌توان از یک عایق گرمایی برای کاهش این اثر استفاده کرد، اما اگر این روش کارآیی کافی را نداشت، مدارات پردازشی باید تا 20 ft از محل اندازه‌گیری دور شده و با کابل coaxial به سنسور متصل شود. در اینجا باید در نظر داشت که کابل coaxial خود همانند یک خازن عمل می کند و می تواند بر نتیجه‌ی اندازه‌گیری تاثیر بگذارد.

اگر ماده‌ی مورد استفاده، خورنده باشد، پروب فولادی باید با PFA, Kynar پوشش داده شود. عایق Ryton برای مواد ساینده مناسب‌تر است. در صنایع غذایی و بهداشتی بهتر است از پروب فولاد ضد زنگ با پوشش PFA استفاده کرد. برای سنجش و ارزیابی کارایی پروب رسانا می‌توان یک ولتاژ AC کوچک از یک ترانسفورمر به میله فلزی اعمال کرد تا پروب و دیواره مخزن شبیه سازی شوند. برای افزایش دقت باید میله در موقعیت و فاصله ای مشابه از دیواره نسبت به پروب قرار گیرد. سپس با غوطه ور کردن پروب در سیال به اندازه 50 mm جریان اندازه‌گیری شده و مقاومت از رابطه زیر بدست می آید:

 

اگر مقاومت کمتر از آن مقداری باشد که برای ابزار دقیق لازم است می‌توان از پروب رسانایی به همراه تقویت کننده استفاده کرد. اگرچه این روش جواب قابل قبولی می‌دهد ولی برای تشخیص قابل استفاده بودن این نوع تجهیز روش خیلی خوبی نیست. شایان ذکر است این نوع ابزار دقیق برای سیالاتی با رسانایی بالاتر از μohm/cm 20 به کار می‌رود.

مشکلات دیگری، ممکن است هنگامی رخ دهد که سیال آشفته و متلاطم باشد. به دلیل هزینه کم این نوع از اندازه‌گیری می‌توان برای اشکار کردن یک سطح از 2 پروب مختلف استفاده کرد. در این حالت برای ایجاد باند مرده یا منطقه خنثی می‌توان فاصله عمودی کوچکی بین 2 پروب در نظر گرفت. این کار می‌تواند مانع از سوییچ های مداوم ناشی از تلاطم سیال شود.

نکات مهم در نصب سنسور خازنی

انواع روش‌های نصب سنسور به شکل زیر است:

نصب ازبالا: اگر پروب از بالا نصب می‌شود باید این نقطه مورد توجه قرارگیرد که در سطحی سوییچ عمل می‌کند ممکن است عمل سوییچینگ متزلزل باشد به عنوان مثال در برخی سیالات با چند میلی متر پوشیده شدن پروب توسط سیال سوییچ فعال می‌شود و در برخی دیگر از سیالات با رسانایی پایین ممکن است برای فعال شدن سوییچ نیاز باشد پروب به طور کامل در سیال فرو برود.

نصب از کنار: برای نصب از کنار پروب‌هایی با طول بیشتر از120 میلی متر مناسب هستند. در مواردی که نصب از کنار اجتناب ناپذیر است و مایعات داخل مخزن می‌توانند باعث گرفتگی و رسوب شوند به پروب‌هایی با طول بیشتر نیاز است. پروب های طویل‌تر دارای نرخ مقاومت تماسی بالاتری بین قسمت پوشیده شده و آزاد هستند. پروب‌هایی که از کنار نصب می‌شوند باید کمی کج و به سمت پایین قرار گیرند تا مایعات به سادگی بچکند و تشکیل رسوب رسانا روی عایق کاهش یابد. شکل زیر انواع روش های نصب سنسور را نشان می دهد.

 

شکل (7) انواع روش‌های نصب سطح سنج خازنی

در مواردی که نیاز است بیشتر از 1 سنسور سطح خازنی مورد استفاده قرار گیرد، باید فواصل میان آن ها را رعایت کرد. کمترین فاصله‌ای که باید رعایت شود 18in است. فاصله‌ی کمتر از این حد باعث می‌شود میدان الکترومغناطیسی آن‌ها بر یکدیگر اثر گذارد و سبب خطای اندازه‌گیری شود.

سنسور باید به گونه‌ای قرار گیرد که عملیات اندازه‌گیری تحت تاثیر دبی ورودی و خروجی قرار نگیرد. ضربات ناشی از برخورد ماده به سنسور ممکن است باعث قرائت مقادیر اشتباه گردد یا به سنسور آسیب رساند.

مزایا و معایب

مزایا و معایب سنسور های خازنی سطح نسبت به سایر روش های مشابه طور خلاصه در ادامه آمده است.

مزایا:

1. قیمت ارزان
2. سازگاری با شرایط محیطی مختلف
3. برای طیف وسیعی از سیالات، جامدات و پودر ها کاربرد دارد.
4. عدم استفاده از قطعات متحرک
5. حساسیت بالا
6. نصب و استفاده ی آسان
7. قابلیت کالیبره شدن قبل از نصب
8. می تواند برای دما و فشار بالا طراحی شود.
9. قابلیت اطمینان بالا

معایب:

1. وجود آلودگی یا مواد چسبناک می تواند در نتیجه ی خوانده شده تاثیر گذارد.
2. امکان خوردگی پروب در اندازه‌گیری برخی مواد وجود دارد.
3. برای مواد با رسانایی‌های مختلف، طراحی‌های متفاوتی دارد.
4. حساس به تغییر دما
5. امکان تخلیه‌ی الکتریکی در اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا

مقدمه‌ای بر خازن ها

خازن قطعه‌اي است که براي ذخيره انرژي الکتريکي توسط میدان الکترواستاتیکی، در مدار استفاده مي‌شود و با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود می‌توان از آن برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار استفاده کرد. از خازن‌ها به عنوان فیلتر نیز استفاده می‌کنند زیرا سیگنال‌های متناوب یا AC را به راحتی عبور می دهند ولی مانع عبور سیگنال های مستقیم یا DC می‌شوند. برای نمایش خازن از حرف C استفاده می‌کنند که ابتدای کلمه Capacitor میباشد. واحد ظرفیت خازن فاراد است و ظرفیت خازن طبق فرمول زیر بدست می آید.

 

که در آن A مساحت صفحات خازن، d فاصله ی دو صفحه ی رسانا وk ضریب گذردهی نسبی دی الکتریک می‌باشد.

خازن‌ها را بر حسب شکل ظاهری به سه دسته ی تخت، کروی و استوانه‌ای دسته بندی می‌کنند. از انواع پرکاربرد خازن‌ها می‌توان به خازن استوانه‌ای اشاره کرد. خازن استوانه‌ای خازنی است که از دو استوانه‌ی رسانا تشکیل شده است. در فضای میان این دو استوانه دی‌الکتریک قرار دارد. با توجه به اینکه خازن استوانه‌ای یک سطح بسته ی گوسی است و میدان الکتریکی ناهمگن و کمیت میدان وابسته به شعاع است. می توان ظرفیت آن را به شکل زیر محاسبه کرد:

 

لازم به ذکر است با ورود دی الکتریک بین صفحات خازنی، ظرفیت خازن بیشتر می‌شود و هرچه ضریب گذردهی نسبی آن به هوا بیشتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر خواهد شد.

 

شکل(1) انواع خازن‌ها

سطح سنج خازنی

یکی از انواع روش‌های سنجش سطح، استفاده از سطح سنج‌های خازنی است. این حسگر بر اساس تغییر ظرفیت خازنی بر اثر تغییر ارتفاع مایع در تانک کار می‌کند. شکل زیر نمای کلی یک حسگر سطح خازنی را نمایش می دهد.

 

شکل(2) شمای کلی سطح سنج خازنی

همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود، این سنسور دارای یک استوانه ی فلزی یا پروب است که وارد تانک می‌شود. جنس پروب بسته به نوع سیال مورد اندازه‌گیری می‌تواند، عایق یا هادی باشد. صفحات پروب با یکدیگر یا با دیواره‌ی تانک، تشکیل خازن استوانه‌ای می‌دهند که با تغییر ارتفاع تبدیل به دو خازن با دی‌الکتریک های مختلف می گردد. این حسگر می‌تواند سطح طیف وسیعی از مواد رسانا، نارسانا، جامدات، گرانول و پودرها را با دقت خوبی اندازه‌گیری نماید. همچنین در اندازه‌گیری سطح جدایش سیالات مختلف از یکدیگر کاربرد دارد. حسگر می‌تواند به شکل‌های مختلف برای کاربردهای مختلف نصب شود. نصب به شکل عمودی برای مونیتور کردن سطح ماده است و در نصب افقی، سنسور همانند یک سوئیچ عمل می کند.

اندازه‌گیری سطح سیال نارسانا

در جدول زیر ضریب دی‌الکتریک بعضی از مواد پرکاربرد آورده شده است.

 

موادی که ضریب دی‌الکتریک آن‌ها پایین است مواد نارسانا می باشند. برای این مواد پروب سنسور از جنس رسانا است بدین ترتین بین صفحات پروب (در صورتیکه پروب دارای 2 صفحه ی استوانه ای هم مرکز باشد) و یا صفحه ی پروب با جداره ی تانک (در صورتیکه که جداره رسانا باشد) خازن پدید می آید. در کل مجموعه دو خازن سری به وجود آمده، یکی خازنی که دی الکتریک آن هواست و دیگری خازنی که دی الکتریک آن مایعی است که می خواهیم سطح آن را اندازه‌گیری کنیم. در نهایت این دو خارن به شکل دو خازن موازی می باشند پس ظرفیت کلی خازن برابر است با مجموع ظرفیت خازن 1 و 2.

 

شکل زیر حالتی را که مایع نارسا و جداره ی تانک رسانا است را نشان می دهد.

 

شکل(3)اندازه‌گیری سطح سیال نارسانا توسط سطح سنج خازنی

اندازه‌گیری سطح سیال رسانا

زمانی‌که سیال رسانا است، جریان را از خود عبور داده و دیگر نمی‌توان شاهد تشکیل خازن در آن بود. برای اندازه‌گیری سطح این سیالات، پروب را از جنس عایق می سازند، یا به کمک مواد عایق پوشش دهی می‌کنند. بدین ترتیب، پروب نقش دی الکتریک و سیال نقش صفحات رسانای خازن را ایفا می کنند. با افرایش ارتفاع مایع، ظرفیت خازن افزایش پیدا می کند. شکل زیر نشان دهنده ی مدل خازن در سیالات رسانا است.

 

شکل(4) اندازه‌گیری سطح سیال رسانا توسط سطح سنج خازنی

جنس پروب سطح سنج خازنی

به طور معمول برای کاربردهایی که در آن سیال، نارسانا و غیر خورنده است، پروب را از جنس فولاد ضد زنگ می‌سازند. قطر این قسمت، معمولا ½ in است. قسمت محفظه به کمک عایق‌هایی با دی‌الکتریک پایین همانند نایلون یا Ryton(PPS) از پروب اندازه‌گیری جدا می‌گردد. محدوده‌ی دمای کاری این عایق ها بین 175-230 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد. برای کاربردهایی که در محدوده‌ی دمایی بالاتری کار می‌کنند، می‌توان از سرامیک استفاده کرد.

برای کاربردهایی که در آن ارتفاع سیالات رسانا اندازه‌گیری می‌شود، از مواد عایقی همچون PFA, Kynar استفاده می‌شود. زمانی که سیال مورد اندازه‌گیری چسبنده یا نفوذ کننده است یا باعث می شود که پوششی دائمی در پروب به وجود آید باید از پروب های ضد رسوب استفاده کرد. در این پروب‌ها یک بخش فعال رسانای دیگر و یک بخش عایق دوم وجود دارد. لازم به ذکر است که ولتاژو فرکانس بخش فعال با قسمت اندازه‌گیری پروب برابر است. شکل زیر نشان دهنده ی شمای کلی یک پروب ضد رسوب است.

 

شکل(5) پروب ضد رسوب سطح سنج خازنی

طول پروب سطح سنج خازنی

به طور کلی زمانی‌که سنسور به عنوان سوئیچ استفاده شده و به شکل افقی نصب می‌شود، طول پروب بنابر استاندارد NIST باید بین in 7-16 باشد. برای کاربردهایی که در آن سنسور باید به شکل عمودی به کار رود و طول بیشتری نیاز است، می‌توان از طناب‌هایی به طول m 1.2-1.5 استفاده کرد. همچنین برای طول‌های بیشتر می توان از کابل‌های فولادی تا طول m 15 بهره برد. شکل زیر نشان دهنده‌ی طول سنسور در حالات اتصال مختلف است.

 

شکل (6) نصب سطح سنج خازنی به صورت عمودی و افقی

نکات مهم درباره‌ی انتخاب و کار با سنسور خازنی

در اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا، که رسانایی آن ها بیشتر از microhms/cm 100 است باید توجه داشت که خطر اتصال کوتاه، وجود دارد. علاوه بر خطرات جانبی و احتمال خراب شدن تغذیه‌ی دستگاه سبب قرائت غلط ارتفاع توسط سنسور می‌شود. بنابراین همواره توصیه می شود تا پروب را برای این کاربرد با PFA یا Kynar پوشش داد.

اثرات دما بر لوله‌ی اندازه‌گیری و قسمت‌های الکترونیکی غیر قابل صرف نظر کردن است. همچنین در هنگام انتخاب نوع عایق باید همواره محدودیت های دمایی را در نظر داشت. دمای محیط در کاتالوگ به وسیله‌ی سازنده مشخص می‌شود. رعایت این دما برای اطمینان از کارکرد درست مدارات ضروری است. در کاربردهایی که سطح سیالات با دمای بالا در حال اندازه‌گیری شدن است، حرارت به وسیله‌ی رسانش گرمایی به مدارات منتقل می‌شود، در اینجا می‌توان از یک عایق گرمایی برای کاهش این اثر استفاده کرد، اما اگر این روش کارآیی کافی را نداشت، مدارات پردازشی باید تا 20 ft از محل اندازه‌گیری دور شده و با کابل coaxial به سنسور متصل شود. در اینجا باید در نظر داشت که کابل coaxial خود همانند یک خازن عمل می کند و می تواند بر نتیجه‌ی اندازه‌گیری تاثیر بگذارد.

اگر ماده‌ی مورد استفاده، خورنده باشد، پروب فولادی باید با PFA, Kynar پوشش داده شود. عایق Ryton برای مواد ساینده مناسب‌تر است. در صنایع غذایی و بهداشتی بهتر است از پروب فولاد ضد زنگ با پوشش PFA استفاده کرد. برای سنجش و ارزیابی کارایی پروب رسانا می‌توان یک ولتاژ AC کوچک از یک ترانسفورمر به میله فلزی اعمال کرد تا پروب و دیواره مخزن شبیه سازی شوند. برای افزایش دقت باید میله در موقعیت و فاصله ای مشابه از دیواره نسبت به پروب قرار گیرد. سپس با غوطه ور کردن پروب در سیال به اندازه 50 mm جریان اندازه‌گیری شده و مقاومت از رابطه زیر بدست می آید:

 

اگر مقاومت کمتر از آن مقداری باشد که برای ابزار دقیق لازم است می‌توان از پروب رسانایی به همراه تقویت کننده استفاده کرد. اگرچه این روش جواب قابل قبولی می‌دهد ولی برای تشخیص قابل استفاده بودن این نوع تجهیز روش خیلی خوبی نیست. شایان ذکر است این نوع ابزار دقیق برای سیالاتی با رسانایی بالاتر از μohm/cm 20 به کار می‌رود.

مشکلات دیگری، ممکن است هنگامی رخ دهد که سیال آشفته و متلاطم باشد. به دلیل هزینه کم این نوع از اندازه‌گیری می‌توان برای اشکار کردن یک سطح از 2 پروب مختلف استفاده کرد. در این حالت برای ایجاد باند مرده یا منطقه خنثی می‌توان فاصله عمودی کوچکی بین 2 پروب در نظر گرفت. این کار می‌تواند مانع از سوییچ های مداوم ناشی از تلاطم سیال شود.

نکات مهم در نصب سنسور خازنی

انواع روش‌های نصب سنسور به شکل زیر است:

نصب ازبالا: اگر پروب از بالا نصب می‌شود باید این نقطه مورد توجه قرارگیرد که در سطحی سوییچ عمل می‌کند ممکن است عمل سوییچینگ متزلزل باشد به عنوان مثال در برخی سیالات با چند میلی متر پوشیده شدن پروب توسط سیال سوییچ فعال می‌شود و در برخی دیگر از سیالات با رسانایی پایین ممکن است برای فعال شدن سوییچ نیاز باشد پروب به طور کامل در سیال فرو برود.

نصب از کنار: برای نصب از کنار پروب‌هایی با طول بیشتر از120 میلی متر مناسب هستند. در مواردی که نصب از کنار اجتناب ناپذیر است و مایعات داخل مخزن می‌توانند باعث گرفتگی و رسوب شوند به پروب‌هایی با طول بیشتر نیاز است. پروب های طویل‌تر دارای نرخ مقاومت تماسی بالاتری بین قسمت پوشیده شده و آزاد هستند. پروب‌هایی که از کنار نصب می‌شوند باید کمی کج و به سمت پایین قرار گیرند تا مایعات به سادگی بچکند و تشکیل رسوب رسانا روی عایق کاهش یابد. شکل زیر انواع روش های نصب سنسور را نشان می دهد.

 

شکل (7) انواع روش‌های نصب سطح سنج خازنی

در مواردی که نیاز است بیشتر از 1 سنسور سطح خازنی مورد استفاده قرار گیرد، باید فواصل میان آن ها را رعایت کرد. کمترین فاصله‌ای که باید رعایت شود 18in است. فاصله‌ی کمتر از این حد باعث می‌شود میدان الکترومغناطیسی آن‌ها بر یکدیگر اثر گذارد و سبب خطای اندازه‌گیری شود.

سنسور باید به گونه‌ای قرار گیرد که عملیات اندازه‌گیری تحت تاثیر دبی ورودی و خروجی قرار نگیرد. ضربات ناشی از برخورد ماده به سنسور ممکن است باعث قرائت مقادیر اشتباه گردد یا به سنسور آسیب رساند.

مزایا و معایب

مزایا و معایب سنسور های خازنی سطح نسبت به سایر روش های مشابه طور خلاصه در ادامه آمده است.

مزایا:

1. قیمت ارزان
2. سازگاری با شرایط محیطی مختلف
3. برای طیف وسیعی از سیالات، جامدات و پودر ها کاربرد دارد.
4. عدم استفاده از قطعات متحرک
5. حساسیت بالا
6. نصب و استفاده ی آسان
7. قابلیت کالیبره شدن قبل از نصب
8. می تواند برای دما و فشار بالا طراحی شود.
9. قابلیت اطمینان بالا

معایب:

1. وجود آلودگی یا مواد چسبناک می تواند در نتیجه ی خوانده شده تاثیر گذارد.
2. امکان خوردگی پروب در اندازه‌گیری برخی مواد وجود دارد.
3. برای مواد با رسانایی‌های مختلف، طراحی‌های متفاوتی دارد.
4. حساس به تغییر دما
5. امکان تخلیه‌ی الکتریکی در اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا